大跨度岩石坑道T形接头衬砌受力分析

坑道工程岔洞结构的受力特性复杂,空间效应明显,历来是地下工程界研究的难点.针对目前地下岔洞结构,特别是大跨度岔洞接头结构理论研究和试验分析成果较少的现状,对某大跨度坑道T形接头衬砌进行了数值计算,分析了其在围岩压力作用下的位移、应力和内力分布规律.     

地下大跨度岔洞结构计算分析

以往中小跨度岔洞结构的设计计算已有比较成熟的设计方法,而针对大跨度甚至特大跨度岔洞结构,因其工程规模庞大,空间效应明显,接头部位受力集中且异常复杂,导致设计存在很大误差.文章应用有限元程序,结合工程背景,对一大跨度洞库岔洞部分结构进行了数值分析,得出了接头部位及附近壳体结构的内力和位移的基本分布规律,从而得出了大跨度岔洞结构壳体受力的一些规律性的认识.     

单层球面网壳结构选型优化设计

针对5种典型单层球面网壳结构型式(联方型、施威德勒型、凯威特型、三向格子型和短程线型),本文采用基于离散变量的序列两级截面优化算法对一百个不同跨度(30m~60m)、不同矢高(1/3~1/7)的网壳进行截面优化设计,在截面优化设计结果中提取选型所需的优秀样本,一个优秀样本由3部分组成:跨度,矢跨比和该跨度、矢跨比下用钢量最少的网壳结构类型;然后利用BP人工神经网络对复杂非线性映射关系的模拟能力建立网壳跨度、矢跨比与用钢量最少的网壳型式之间的映射关系,避免了结构选型优化的多维、多重非线性模型的求解困难,通过截面优化简便地实现了网壳结构的选型优化。     

大跨径尾水岔洞开挖与衬砌稳定分析

 针对目前国内外水利工程中大跨径地下尾水岔洞开挖与衬砌稳定分析现状,对其存在的主要问题进行讨论。总结大跨径尾水岔洞开挖与衬砌稳定的分析方法,包括数值模型建立原则、分析内容、流程、评价指标等。应用此分析方法,对溪洛渡水电站尾水岔洞开挖与衬砌稳定开展研究,包括大跨径尾水岔洞开挖过程中变形、应力及屈服区分布特点,以及不同应力释放荷载条件下的喷锚支护效果;针对运行和检修工况,分析岔洞围岩、衬砌结构的变形及应力分布情况,变形计算结果与监测结果一致。通过实际工程分析与应用,表明所建议的大跨径地下尾水岔洞开挖与衬砌稳定分析方法可用于指导同类岩土结构工程设计。     

双层球面网壳结构的抗震性能分析

以双层球面网壳为研究对象,对其进行结构的几何优化设计和在地震荷载下的反应分析.首先分析了结构自振特性随几何参数变化的特点,研究了结构的基频随矢跨比、跨度、网格分割频数及网壳厚度变化的规律,然后采用N ewm ark积分法对其在多维地震作用下的反应进行了时程响应分析.研究结果表明,在结构跨度一定时,存在一个优化的矢跨比范围,约为1/3~1/4,该范围内,结构的整体刚度存在一极大值;对矢跨比一定的结构,结构跨度的增加将显著减低结构的整体刚度,从而减低结构的自振频率;对于跨度和矢跨比一定的结构,结构的基频随结构分割频数、网壳厚度的改变变化很小.     

ETFE薄膜结构积水试验与数值分析

膜结构是一种柔性结构,膜面容易发生雨水积留。针对ETFE(四氟乙烯)薄膜结构,利用ANSYS软件通过迭代计算分析了正方形平面膜面和正方形气枕膜面的积水极限承载力,考察不同跨度及矢跨比时的积水进展情况。计算结果显示,厚度为250μm的单层正方形平面膜面,跨度3m时就会发生积水破坏。对于气枕膜面,是否发生积水破坏由跨度与矢跨比决定。由两层厚度为250μm的ETFE薄膜叠合的正方形边界气枕膜面,当跨度达到5m时将发生积水破坏,跨度为4m、矢跨比达到1/8及以上时也将发生积水破坏。设计制作了3种矢跨比的ETFE薄膜气枕膜面,进行了积水承载试验,将试验结果与数值分析结果进行了对比。     

多因素影响隧道仰拱竖向位移回归探析

文章针对设计中难以通过理论精确预测铁路隧道底鼓病害的情况,探究在不同膨胀应力、不同矢跨比和不同衬砌厚度三个因素共同影响下隧道仰拱位移规律。通过不同因素组合的数值模拟,进行隧道底鼓病害的正交试验研究,以仰拱位移为目标函数,通过理论分析建立回归模型,通过回归分析得到可靠的预测模型。分析结果表明:膨胀应力、仰拱矢跨比、衬砌厚度对仰拱纵向位移均有显著影响,且仰拱纵向位移与膨胀应力呈正相关;与衬砌厚度倒数呈正相关;与仰拱矢跨比呈复杂的非线性关系。以上成果能够用于隧道底鼓预测分析,为隧道设计工作提供了支撑资料。     

基于截面优化的张弦桁架形状参数分析

为了探讨张弦桁架矢高、垂度与最小结构质量的相互关系,确定出不同跨度的最优矢高、垂度,采用Fibonacci搜索法编写了以矢高、垂度为变量的张弦桁架形状优化程序.在编写Fibonacci搜索法程序中引入了动态搜索区,以有效提高搜索效率和保证精度要求.分别对不同跨度的张弦桁架矢高、垂度进行分析.结果表明:最优矢高、垂度都随着跨度的增加而几乎呈线性增加;不同跨度下的矢高、垂度与最小结构质量的关系曲线大致呈抛物线形状;当垂跨比为0.07时,各跨度的最优矢跨比出现在0.132～0.159之间;当矢跨比在0.14左右时,各跨度的最优垂跨比出现在0.07左右;最优的矢跨比与垂跨比之和为0.22,此时结构的质量最小.     

官地地下尾水岔洞开挖与衬砌稳定研究

水利工程中地下大跨度尾水岔洞往往在结合交叉处形成复杂的三维空间结构,该部位受力性质复杂,位移较大,应力集中,一般需对其进行精细的三维数值模拟,分析开挖与衬砌结构的稳定性。文章利用FLAC3D,计算分析了官地水电站尾水岔洞围岩在开挖情况下的变形、应力及屈服区,对不同应力释放荷载条件下的喷锚支护效果及机理进行了分析评价;在此基础上根据运行和检修工况下的荷载作用情况,计算分析了衬砌结构应力,以及围岩锚杆的受力状态。指出控制作用工况,提出了保持岔洞稳定的措施和对策。计算分析表明:围岩开挖变形量较大,顶拱最大下沉约23 mm,边墙应力释放明显,最大拉应力约3.8 MPa,衬砌最大拉应力在2.0-2.6 MPa之间,岔角处岩体塑性区局部贯通,设计喷锚支护措施处于正常承载状态,支护措施能够满足围岩稳定性要求。计算分析得出的结论已用于指导工程设计,同时也可供其他同类工程的设计和施工参考。     

减震层减震原理及跨断层隧道减震技术振动台试验研究

通过波函数展开法给出平面SV波入射下深埋圆形隧道"围岩—减震层—初期支护—二次衬砌"减震结构的动力响应解析近似解,分析了减震层厚度、弹性模量对衬砌结构动应力集中系数的影响,并开展了跨断层隧道抗减震研究大型振动台模型试验,通过分析跨断层及其设置减震层后隧道衬砌动力响应特性和破坏形态,得到以下有益结论:减震层与围岩弹性模量比越低,减震层厚度越大,衬砌动应力集中系数越小;减震层与围岩弹性模量的最优减震比在1/10~1/20,最优减震层厚度不宜大于0.2 m;跨断层破碎带隧道设置减震层可以明显降低跨断层衬砌结构加速度峰值和衬砌动应变幅值;断层处隧道衬砌裂缝分布数量多、复杂,多集中于拱脚、拱肩,并分布有剪切错动引起的环向裂缝,设置减震层后,断层处隧道衬砌裂缝明显减少,衬砌受力得到明显改善;断层处地表出现了平行断层方向为主的的贯通裂缝和大量斜裂缝,说明断层处以剪切破坏为主,设置减震层后,地表裂缝明显减少。     

大跨屋盖结构风洞试验模型的设计方法讨论

通过理论分析及风洞试验研究大跨屋盖结构风洞试验的模型设计问题。以气承刚度理论为主线阐述了内压传播方程及赫姆霍兹频率、四周封闭屋盖结构及墙面开孔屋盖结构的频移特性和气承刚度的相似性模拟准则,考虑了墙体柔度在理论分析中的关键作用。设计制作了大跨平屋盖刚性模型和气弹模型进行墙面开孔前后的风洞试验,试验结果与理论分析较为吻合。研究结果证明了气承刚度相似性模拟在大跨屋盖结构风洞试验中的基础性作用,并指出在模型设计中调整结构内部容积是模拟气承刚度最有效的措施,而保证刚度比的一致性则是试验成功的关键。     

软弱围岩小净距隧道动态施工力学行为分析

基于新奥法施工理念,结合某大跨度、小净距隧道工程浅埋段施工过程,根据采取的双侧壁施工方法,建立了数值模型,对其施工过程进行了三维有限元弹塑性模拟。分析了施工过程中随着各部的开挖,隧道周边各点竖向位移的变化;通过对开挖后地表沉降、支护受力和塑性区的模拟计算以及隧道拱顶沉降监测值与计算值的对比分析,进而对施工过程中隧道结构的安全性及围岩稳定性作出评价。数值计算结果表明,在软岩浅埋隧道中,超前小导管的设置可起到加固围岩和抑制隧道变形的作用,有效控制双线隧道开挖引起的反复扰动是小净距隧道施工成败的关键。     

Q体系分类法在鹙窝梁隧道中的应用

通过对骛窝梁隧道岩块强度、岩体结构、结构面特征、节理发育程度、充填状况、风化程度的科学检测、分析，采用巴顿的Q体系岩体分类，使用掌子面素描，记录围岩的工程地质条件，评估Q值的计算参数，然后根据Q值计算公式计算Q值，最终提出科学、经济、合理的隧道支护方案。     

城市隧道上覆地层整体下沉的力学机制分析

 通过对北京和深圳地铁、厦门海底隧道、机场路等工程的现场监测结果的综合分析表明,浅埋暗挖隧道的受力机制与山岭隧道有较大不同,上覆地层变形体现出明显的整体下沉趋势,且带来的地层开裂、破坏更具突发性和破坏性。针对这种特征,对工程中地层滑动破裂角采用一种新的模型进行推导,其结果显示,地层滑裂角比传统结果大约15°,即滑裂面更陡峭、接近竖直方向,且该滑裂角是围岩参数、应力场、覆跨比、断面矢跨比的函数,一定程度上体现了围岩变形破坏类似的具几何效应,即浅埋暗挖隧道上覆地层的整体下沉、塌陷,突发性冒顶等特征,是由围岩的力学特性和几何特性共同作用的结果。另外,隧道结构下部土体的扰动、损伤、软化等,极易造成下部地层沉降和承载力的丧失,随之而来的即是隧道结构的整体下沉、支护效果恶化以及进一步的上覆地层整体沉降加剧。相应的采用理想弹塑性模型、修正剑桥模型的数值模拟分析,能部分反映这种上覆地层整体下沉的特征。研究结果还表明：对浅埋暗挖隧道围岩受力变形机制、本构关系的研究急需加强。     

隧道顶部溶洞对围岩稳定性影响的数值分析

以在建的某高速公路岩溶隧道为工程背景,采用有限单元法,运用迈达斯GTS分析软件,建立隧道结构及围岩的三维分析模型,重点分析了不同位置、大小的顶部溶洞在开挖过程中对围岩变形位移、力学特性、塑性区以及支护结构受力的影响,研究了顶部溶洞对隧道围岩稳定性的影响,所得结论可为岩溶地区隧道工程的设计、施工和研究提供指导。     

考虑裂隙水影响的隧道受力特征数值模拟

围岩富集裂隙水对隧道施工和运营有着较严重的影响。结合九景衢铁路隧道施工设计,采用离散元法,模拟了考虑裂隙围岩渗流作用的隧道施工力学特性,分析了排水和堵水2种隧道施工措施对裂隙围岩及支护结构的影响。结果表明,在隧道开挖面附近设置适量水头对围岩节理裂隙加固处理以及支护结构合理受力有一定的积极作用。     

软岩小净距隧道中夹岩柱分区及加固方法研究

中夹岩柱是软岩小净距隧道围岩稳定控制的关键部位。结合具体工程,提出对中夹岩柱进行区域划分,针对软弱围岩,采用二维有限元计算方法,对中夹岩柱预应力锚杆及注浆加固、中岩墙预应力锚杆加固和中夹岩柱不同加固组合方式进行了研究。数值计算结果表明:在中夹岩柱各区加固中,中岩墙加固是最重要的,对其进行加固,可以减小隧道变形,提高围岩稳定性,改善支护结构的力学状态;各种加固方法对于不同级别的围岩其加固效果不同,在软弱围岩中,注浆加固比对拉锚杆或预应力锚杆效果更显著;加固参数应根据围岩级别、净距大小、中夹岩柱加固组合方式等综合确定,围岩越差,净距越小,则注浆参数应提高越大。     

基于块体和松动压力理论的隧洞围岩稳定性分析

岩体中开挖隧洞的围岩失稳形式较多,尤其在埋深浅、应力低、结构面发育的地质区域经常出现顶部垮塌和边墙滑动失稳现象。笔者以某导流隧洞为工程背景,基于块体理论,运用Unwedge程序以不同隧洞走向和不同开挖断面形式条件下搜索出的关键块体重量和安全系数为研究目标,通过对比优选出适合本区域内导流洞围岩稳定的理论轴线走向和断面形式,为设计单位提供理论支撑。同时,对主次节理高度发育、围岩破碎严重、不适于用Unwedge程序进行计算的区域应用松动压力理论对围岩稳定进行计算并给出支护建议。     

分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究

西安地裂缝是一种特殊的城市地质灾害,地铁隧道穿越地裂缝带时必须分段设特殊变形缝。以西安地铁隧道正交穿越地裂缝带为工程背景,采用几何比1:5的大比例尺模型试验,研究分段设缝柔性接头隧道穿越地裂缝带的适应性。试验结果表明:地裂缝活动环境下隧道设置特殊变形缝的柔性接头避免了衬砌结构应力集中,对结构起到保护作用,分段柔性接头隧道具有较强的适应地裂缝大变形的能力。设置与地裂缝倾角一致的斜变形缝对围岩压力与位移有一定影响,而对衬砌结构安全性影响较小。正交条件下斜变形缝能消耗20%以上的地裂缝位移量,在地裂缝影响区隧道可通过多段设变形缝串联的方式最大限度地消除地裂缝大变形对隧道的影响。接头处顶底部止水带基本完好,而两侧止水带因地裂缝垂直位移作用出现撕裂现象,防水设计应重点考虑接头两侧壁的防水。研究结果可为地裂缝活动环境下地铁隧道结构与防水设计提供重要参考。     

浅埋双连拱隧道中墙的合理选用

双连拱隧道的中墙是结构受力的关键构件,又对隧道防排水有较大影响,因此,合理选用中墙形式至关重要。通过建立双连拱隧道的三维有限元模型,模拟了不同围岩级别条件下浅埋双连拱隧道不同中墙形式的力学行为,得出了中墙的基本受力规律,提出了不同围岩级别条件下修建浅埋双连拱隧道所采用的合理中墙形式,为双连拱隧道的中墙设计提供依据。